三自由度运动仿真平台设计及应用
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Design and application of three freedoms motion simulation platform
2
( 116 box,China Ship Scientific Research Center; Wuxi City, Jiangsu Province, Code 214082, China Dept. Of Automatic Control, Harbin Engineering University; Harbi City, Heilongjiang Province, Code 150001, China 3 Huaian Machine Factory, Huaian City, Jiangsu Province, Code 223001, China)
DOI:10.16182/j.cnki.joss.2003.01.017
Vol. 15 No. 1 Jan. 2003
系 统 仿 真 学 报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
• 63 •
三自由度运动仿真平台设计及应用
魏纳新 1 ，彭秀艳 2 ，赵希人 2 ，施向宇 3
2
(1 江苏省无锡市 116 信箱中国船舶科学研究中心流体室, 江苏 214082; 黑龙江哈尔滨市哈尔滨工程大学自动化学院, 哈尔滨 150001; 3 江苏省淮安市淮安机器制造厂, 江苏 223001)
由于采样周期足够短，以差分代替求导，从而得到叠 代公式： ϕ( k +1) n +1 = [ωx + tgθ( k +1) n (ω y sinϕ( k +1) n + ω z cosϕ( k +1) n )]∆T + ϕ k θ( k +1) n +1 = (ω y cosϕ ( k +1) n − ω z sinϕ( k +1) n )∆T + θk ψ ( k +1) n +1 = (ω y sinϕ( k +1) n + ω z cosϕ( k +1) n )∆T / cosθ( k +1 ) n + ψ k △T 表示采样间隔。 通过（2）即可根据每一采样时刻的各向角速度信号和 上一时刻的姿态角计算出当前时刻的姿态角。 平移坐标系和体坐标系之间有如下关系：
5
平台校验 [2]
为便于比较，平台校验时，我们采用了规则运动进行
(1)
检测。表 1 列出了主要频率下的测试结果。经过校验，平 台在纵摇小于 10°、横摇小于 15°、升沉峰-峰值小于 300mm 的情况下运动频率可达到 1.2Hz，且无明显相移。如不考虑 升沉，横摇和纵摇频率可达 2Hz 以上。
ωy sin φ + ωz cos φ cos θ
引
言1
运动仿真平台有着广泛的应用。在实验室中利用仿真
导杆
平台可进行各种半物理仿真试验以确定最佳控制方案， 和船 模试验相比，成本低，周期短，适合作大量探索性试验。 本文是为配合舰船运动极短期预报而设计的。通过仿 真平台，再现实船或船模试验的运动历程，检验预报的准确 度。 本设计中考虑到对舰载机起降作业影响最大的主要是 升沉(垂向运动)、纵摇和横摇这三种运动，为此设计成这三 自由度运动仿真平台。 运动仿真平台由仿真平台硬件、控制软件和运动测试 三部分构成。
• 65 •
坐标系轴 o0x0 所转的角度称为横摇角 ö； 绕 o0y 0 轴所转动的 角度称为纵摇 è；绕 o0z 0 轴转动的角度称为艏摇角 ø。于是 可推导得如下关系
&= ω + tg θ(ω sin φ + ω cos φ) φ x y z &= ω cos φ − ω sin φ θ y z &= ψ
控系统的硬件如图 2 所示。 步进电机控制卡可同时独立控制三个步进电机； 设有加 速/减速寄存器，控制卡可安设定的加速度/减速度输出相应
• 64 •
计 算 机 编码器 计数卡 步进电机 控制卡 编码器 A、B、C 电机 A、B、C 驱动器 A、B、C
系
统
仿
真
学
报
调用初始化模块
Vol. 15 No. 1 Jan. 2003
硬件部分由平台和电控系统构成。运动平台通过三套 独立的伺服电机驱动，如图 1 所示。伺服电机通过丝杆直接 驱动平台和导杆连接点作垂直方向的运动。平台的升沉、 纵摇、横摇运动分解成三个连接点的线位移。由于三套电机
收稿日期： 2002-03-12 修回日期： 2002-05-13 作 者 简 介 ： 魏 纳 新 (1968-), 男, 江苏人 , 高工, 博士生, 研究方向为船舶运 动控制; 彭 秀 艳 (1962-), 女, 辽宁人 , 教授 , 博士生 , 研究方向为船舶运 动建模预报; 赵 希 人 (1940-), 男 , 辽宁人, 教授, 博导 , 研究方向为系统 建模预报; 施向宇 (1960-), 男, 江苏人, 工程师。
轴 A、 轴 B、 轴C 上、下限位 图2 三自由度运动仿真平台电控系统硬件图
逻辑 控制 电路
读取升沉、纵摇、横摇数据 调用通讯模块 调用数据处理模块
调用显示及运动记录模块 调用步进电机控制卡参 数设置模块 安全保护模块
频率脉冲，从而简化了软件设计。每轴具有独立的正、负限 位信号输入以实现硬件限位。 逻辑控制电路用以实现电控系统各部分执行顺序的控 制，并兼有报警功能。逻辑控制电路独立于计算机系统，便 于实现硬件保护。当系统中任一部分发出报警信号时，便发 出声光报警，当发生将造成机械损坏的致命性报警时，便立 即切断电机电源。 保护机构由非接触式接近开关组成。由于每个连接点 的安全行程有限（约 700mm），而最高线速度为 1m/s ，因此 在整个设计中对安全性作了重点考虑。通过试验测定，在设 计允许的最大线速度下（考虑安全系数） ，虽然有过冲，但 接近开关仍能迅速制动电机。
1
WEI Na-xin1 , PENG Xiu-yan2 , ZHAO Xi-ren2 , SHI Xiang-yu3
Abstract: The control principle of a three-freedoms motion simulation platform of ship is discussed, and the realization of the hardware and software is introduced in detail. The hardware consists of the motion platform and electrical control system, which is a double-loop feedback control system. The executing mechanism is three servo electrical machines. The input is given by the control software. With programming various control software, the platform can simulate various motion processes of real ships. It is also given in the paper a practical application in ship motion short-term prediction. Keywords: three freedoms; platform; simulation; prediction
调用运动分解模块 读取当前位置
图4
电控软件流程图
仿真平台作为执行机构，纳入其它控制系统中。 数据处理模块主要为通讯模块服务。从通讯模块获得 的数据往往并不符合仿真平台的要求， 通过数据处理模块对 该数据进一步加工，使之转换成平台的升沉、纵摇和横摇数 据。如在本模块中加入鳍和横摇之间的传递函数，则可以从 通讯模块中读入鳍的动作，仿真鳍对横摇的影响。 运动分解模块把升沉、纵摇和横摇分解成三台电机的 运动。 安全保护模块对电机的期望转角进行软件限位，响应 “急停”输入。在该模块中实时判断各连接点的当前位置和速 度，在达到硬件限位之前，提前进行运动限幅，从而减少硬 件保护动作。对于有些较难实现的硬件保护，只能采用软件 保护，如三个连接点运动不协调时，可能造成横摇或纵摇超 出机械允许范围， 由于本系统目前尚未安装频率响应及几何 尺寸符合要求的倾角传感器， 只能依靠软件实时判断各连接 点的相对位置实现限位保护。另外，硬件保护发生时，往往 需要整个系统重新启动后才能工作，而软件保护，一旦模块 发现可能超出硬件允许范围（考虑一定的安全余量）时，软 件自动对数据进行修改，使之仍处于安全范围内，保证工作 的连续性。在测试过程中，由于软件保护的存在，未发生硬 件保护动作，而且整个运行过程平稳。 显示及运动记录模块负责显示平台运动的期望值和实 际输出值以及电机的工作状态，以便检查、比较。
控制闭环 2 电机位置 控制算法 步进电机 控制卡 频率受控的步进脉冲 步进方向 交流伺服电机驱动器 计数器 A相 B相 控制闭环 1 编码器 电机
4
运动测试系统 [4]
运动测试系统采用由三个角速度陀螺、三个加速度传
感器、 放大器、 采样及解算软件构成的捷联式运动测量系统。 通过该测量系统，可实时测量出运动物体的姿态（对于本平 台升沉、纵摇和横摇） 。 介绍运动解算前，先建立以下两个坐标系：平移坐标 系，或称为惯性坐标系 o0-x0y 0z 0，它以船的平均速度匀速直 线运动， o0x0 轴与船前进方向一致， o0z 0 铅直向下为正， o0y 0 轴指向右舷为正。船体坐标系 o-xyz，它是固定在船体上的 坐标系，并与船体一起平动和转动，ox 轴指向船艏为正， oz 轴向下为正，oy 轴指向右舷为正。在船体相对于平移坐 标系静止时，体坐标系与平移坐标系重合。体坐标系绕平移
2
电控系统工作原理
仿真平台要求电机同时对速度和位移进行跟踪，理论
上只需准确地控制发往电机驱动器的步进脉冲的频率即可， 但在实际应用中由于存在计算上的累积误差、 执行机构的延 迟以及步进电机控制卡的限制，无法同时跟踪，因此，在本 系统中以位置跟踪为主。 电控系统由两个控制闭环构成，如图 3 所示。控制闭 环 1 由电机、编码器、驱动器构成，无须计算机干预。控制 闭环 2 由计算机及相关软硬件构成。 控制软件根据要求的平 台运动时间历程，把升沉、纵摇、横摇运动分解成平台三个 连接点的运动， 计算出从当前位置转移到下一时刻指定位置 所须的电机转角及转速，并对步进电机控制卡进行刷新。
图1 三自由度运动仿真平台结构 电机 连接点
运动控制相互独立，因此可以模拟升沉、纵摇、横摇运动的 任意组合。 根据平台中各运动部分的重量及转动惯量和运动平台
1
硬件构成
[1] [2]
的设计承载量估算出轴扭矩， 进而选定了合适的电机和驱动 模块。本设计中选用了交流伺服电机。交流伺服电机自带光 电编码器，在整个转速范围内均可输出额定扭矩，控制方式 和步进电机控制相同，电机驱动系统的刚度可在线调整，使 电机具有最佳的响应特性。编码器、驱动器和交流伺服电机 三者构成了控制闭环，消除了步进电机中的“失步”现象。电
图3
电机控制原理图
3
软件设计 [3]
图 4 为电控软件流程图，其中： 初始化模块完成平台归零动作，以及计数卡、控制卡
的初始化。 通讯模块完成计算机和其它设备的通讯，以便从外部 输入转台控制信号， 如通过手柄可直接操纵平台的运动或把
Vol. 15 No. 1 Jan. 2003
魏纳新, 等：三自由度运动仿真平台设计及应用 过二阶，以免产生较大的相移。
摘
要： 详细介绍了船舶三自由度运动仿真平台的控制原理及硬件和软件的工程实现。硬件由运
动平台和电控系统构成，电控系统是双闭环反馈控制系统，执行机构是伺服电机，输入信号由计 算机中控制软件给出。编制不同的控制软件，平台可以仿真实船不同的运动历程。最后介绍了平 台在船舶运动预报中的应用。 关键词： 三自由度；平台；仿真；预报 文章编号： 1004-731X (2003) 01-0063-03 中图分类号： TP391.9 文献标识码： A
Design and application of three freedoms motion simulation platform
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( 116 box,China Ship Scientific Research Center; Wuxi City, Jiangsu Province, Code 214082, China Dept. Of Automatic Control, Harbin Engineering University; Harbi City, Heilongjiang Province, Code 150001, China 3 Huaian Machine Factory, Huaian City, Jiangsu Province, Code 223001, China)
DOI:10.16182/j.cnki.joss.2003.01.017
Vol. 15 No. 1 Jan. 2003
系 统 仿 真 学 报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
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三自由度运动仿真平台设计及应用
魏纳新 1 ，彭秀艳 2 ，赵希人 2 ，施向宇 3
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(1 江苏省无锡市 116 信箱中国船舶科学研究中心流体室, 江苏 214082; 黑龙江哈尔滨市哈尔滨工程大学自动化学院, 哈尔滨 150001; 3 江苏省淮安市淮安机器制造厂, 江苏 223001)
由于采样周期足够短，以差分代替求导，从而得到叠 代公式： ϕ( k +1) n +1 = [ωx + tgθ( k +1) n (ω y sinϕ( k +1) n + ω z cosϕ( k +1) n )]∆T + ϕ k θ( k +1) n +1 = (ω y cosϕ ( k +1) n − ω z sinϕ( k +1) n )∆T + θk ψ ( k +1) n +1 = (ω y sinϕ( k +1) n + ω z cosϕ( k +1) n )∆T / cosθ( k +1 ) n + ψ k △T 表示采样间隔。 通过（2）即可根据每一采样时刻的各向角速度信号和 上一时刻的姿态角计算出当前时刻的姿态角。 平移坐标系和体坐标系之间有如下关系：
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平台校验 [2]
为便于比较，平台校验时，我们采用了规则运动进行
(1)
检测。表 1 列出了主要频率下的测试结果。经过校验，平 台在纵摇小于 10°、横摇小于 15°、升沉峰-峰值小于 300mm 的情况下运动频率可达到 1.2Hz，且无明显相移。如不考虑 升沉，横摇和纵摇频率可达 2Hz 以上。
ωy sin φ + ωz cos φ cos θ
引
言1
运动仿真平台有着广泛的应用。在实验室中利用仿真
导杆
平台可进行各种半物理仿真试验以确定最佳控制方案， 和船 模试验相比，成本低，周期短，适合作大量探索性试验。 本文是为配合舰船运动极短期预报而设计的。通过仿 真平台，再现实船或船模试验的运动历程，检验预报的准确 度。 本设计中考虑到对舰载机起降作业影响最大的主要是 升沉(垂向运动)、纵摇和横摇这三种运动，为此设计成这三 自由度运动仿真平台。 运动仿真平台由仿真平台硬件、控制软件和运动测试 三部分构成。
• 65 •
坐标系轴 o0x0 所转的角度称为横摇角 ö； 绕 o0y 0 轴所转动的 角度称为纵摇 è；绕 o0z 0 轴转动的角度称为艏摇角 ø。于是 可推导得如下关系
&= ω + tg θ(ω sin φ + ω cos φ) φ x y z &= ω cos φ − ω sin φ θ y z &= ψ
控系统的硬件如图 2 所示。 步进电机控制卡可同时独立控制三个步进电机； 设有加 速/减速寄存器，控制卡可安设定的加速度/减速度输出相应
• 64 •
计 算 机 编码器 计数卡 步进电机 控制卡 编码器 A、B、C 电机 A、B、C 驱动器 A、B、C
系
统
仿
真
学
报
调用初始化模块
Vol. 15 No. 1 Jan. 2003
硬件部分由平台和电控系统构成。运动平台通过三套 独立的伺服电机驱动，如图 1 所示。伺服电机通过丝杆直接 驱动平台和导杆连接点作垂直方向的运动。平台的升沉、 纵摇、横摇运动分解成三个连接点的线位移。由于三套电机
收稿日期： 2002-03-12 修回日期： 2002-05-13 作 者 简 介 ： 魏 纳 新 (1968-), 男, 江苏人 , 高工, 博士生, 研究方向为船舶运 动控制; 彭 秀 艳 (1962-), 女, 辽宁人 , 教授 , 博士生 , 研究方向为船舶运 动建模预报; 赵 希 人 (1940-), 男 , 辽宁人, 教授, 博导 , 研究方向为系统 建模预报; 施向宇 (1960-), 男, 江苏人, 工程师。
轴 A、 轴 B、 轴C 上、下限位 图2 三自由度运动仿真平台电控系统硬件图
逻辑 控制 电路
读取升沉、纵摇、横摇数据 调用通讯模块 调用数据处理模块
调用显示及运动记录模块 调用步进电机控制卡参 数设置模块 安全保护模块
频率脉冲，从而简化了软件设计。每轴具有独立的正、负限 位信号输入以实现硬件限位。 逻辑控制电路用以实现电控系统各部分执行顺序的控 制，并兼有报警功能。逻辑控制电路独立于计算机系统，便 于实现硬件保护。当系统中任一部分发出报警信号时，便发 出声光报警，当发生将造成机械损坏的致命性报警时，便立 即切断电机电源。 保护机构由非接触式接近开关组成。由于每个连接点 的安全行程有限（约 700mm），而最高线速度为 1m/s ，因此 在整个设计中对安全性作了重点考虑。通过试验测定，在设 计允许的最大线速度下（考虑安全系数） ，虽然有过冲，但 接近开关仍能迅速制动电机。
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WEI Na-xin1 , PENG Xiu-yan2 , ZHAO Xi-ren2 , SHI Xiang-yu3
Abstract: The control principle of a three-freedoms motion simulation platform of ship is discussed, and the realization of the hardware and software is introduced in detail. The hardware consists of the motion platform and electrical control system, which is a double-loop feedback control system. The executing mechanism is three servo electrical machines. The input is given by the control software. With programming various control software, the platform can simulate various motion processes of real ships. It is also given in the paper a practical application in ship motion short-term prediction. Keywords: three freedoms; platform; simulation; prediction
调用运动分解模块 读取当前位置
图4
电控软件流程图
仿真平台作为执行机构，纳入其它控制系统中。 数据处理模块主要为通讯模块服务。从通讯模块获得 的数据往往并不符合仿真平台的要求， 通过数据处理模块对 该数据进一步加工，使之转换成平台的升沉、纵摇和横摇数 据。如在本模块中加入鳍和横摇之间的传递函数，则可以从 通讯模块中读入鳍的动作，仿真鳍对横摇的影响。 运动分解模块把升沉、纵摇和横摇分解成三台电机的 运动。 安全保护模块对电机的期望转角进行软件限位，响应 “急停”输入。在该模块中实时判断各连接点的当前位置和速 度，在达到硬件限位之前，提前进行运动限幅，从而减少硬 件保护动作。对于有些较难实现的硬件保护，只能采用软件 保护，如三个连接点运动不协调时，可能造成横摇或纵摇超 出机械允许范围， 由于本系统目前尚未安装频率响应及几何 尺寸符合要求的倾角传感器， 只能依靠软件实时判断各连接 点的相对位置实现限位保护。另外，硬件保护发生时，往往 需要整个系统重新启动后才能工作，而软件保护，一旦模块 发现可能超出硬件允许范围（考虑一定的安全余量）时，软 件自动对数据进行修改，使之仍处于安全范围内，保证工作 的连续性。在测试过程中，由于软件保护的存在，未发生硬 件保护动作，而且整个运行过程平稳。 显示及运动记录模块负责显示平台运动的期望值和实 际输出值以及电机的工作状态，以便检查、比较。
控制闭环 2 电机位置 控制算法 步进电机 控制卡 频率受控的步进脉冲 步进方向 交流伺服电机驱动器 计数器 A相 B相 控制闭环 1 编码器 电机
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运动测试系统 [4]
运动测试系统采用由三个角速度陀螺、三个加速度传
感器、 放大器、 采样及解算软件构成的捷联式运动测量系统。 通过该测量系统，可实时测量出运动物体的姿态（对于本平 台升沉、纵摇和横摇） 。 介绍运动解算前，先建立以下两个坐标系：平移坐标 系，或称为惯性坐标系 o0-x0y 0z 0，它以船的平均速度匀速直 线运动， o0x0 轴与船前进方向一致， o0z 0 铅直向下为正， o0y 0 轴指向右舷为正。船体坐标系 o-xyz，它是固定在船体上的 坐标系，并与船体一起平动和转动，ox 轴指向船艏为正， oz 轴向下为正，oy 轴指向右舷为正。在船体相对于平移坐 标系静止时，体坐标系与平移坐标系重合。体坐标系绕平移
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电控系统工作原理
仿真平台要求电机同时对速度和位移进行跟踪，理论
上只需准确地控制发往电机驱动器的步进脉冲的频率即可， 但在实际应用中由于存在计算上的累积误差、 执行机构的延 迟以及步进电机控制卡的限制，无法同时跟踪，因此，在本 系统中以位置跟踪为主。 电控系统由两个控制闭环构成，如图 3 所示。控制闭 环 1 由电机、编码器、驱动器构成，无须计算机干预。控制 闭环 2 由计算机及相关软硬件构成。 控制软件根据要求的平 台运动时间历程，把升沉、纵摇、横摇运动分解成平台三个 连接点的运动， 计算出从当前位置转移到下一时刻指定位置 所须的电机转角及转速，并对步进电机控制卡进行刷新。
图1 三自由度运动仿真平台结构 电机 连接点
运动控制相互独立，因此可以模拟升沉、纵摇、横摇运动的 任意组合。 根据平台中各运动部分的重量及转动惯量和运动平台
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硬件构成
[1] [2]
的设计承载量估算出轴扭矩， 进而选定了合适的电机和驱动 模块。本设计中选用了交流伺服电机。交流伺服电机自带光 电编码器，在整个转速范围内均可输出额定扭矩，控制方式 和步进电机控制相同，电机驱动系统的刚度可在线调整，使 电机具有最佳的响应特性。编码器、驱动器和交流伺服电机 三者构成了控制闭环，消除了步进电机中的“失步”现象。电
图3
电机控制原理图
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软件设计 [3]
图 4 为电控软件流程图，其中： 初始化模块完成平台归零动作，以及计数卡、控制卡
的初始化。 通讯模块完成计算机和其它设备的通讯，以便从外部 输入转台控制信号， 如通过手柄可直接操纵平台的运动或把
Vol. 15 No. 1 Jan. 2003
魏纳新, 等：三自由度运动仿真平台设计及应用 过二阶，以免产生较大的相移。
摘
要： 详细介绍了船舶三自由度运动仿真平台的控制原理及硬件和软件的工程实现。硬件由运
动平台和电控系统构成，电控系统是双闭环反馈控制系统，执行机构是伺服电机，输入信号由计 算机中控制软件给出。编制不同的控制软件，平台可以仿真实船不同的运动历程。最后介绍了平 台在船舶运动预报中的应用。 关键词： 三自由度；平台；仿真；预报 文章编号： 1004-731X (2003) 01-0063-03 中图分类号： TP391.9 文献标识码： A